Włókno węglowe to nieorganiczne włókno polimerowe, nowy materiał nieorganiczny o zawartości węgla powyżej 95%, o niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości, odporności na wysoką temperaturę, wysokiej stabilności chemicznej, odporności na zmęczenie, ścieraniu odpornym na zużycie i innych doskonałych podstawowych właściwościach fizycznych i chemicznych, a także ma wysokie tłumienie drgań, dobrą przewodność cieplną, właściwości ekranowania elektromagnetycznego i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i inne cechy. Te doskonałe właściwości sprawiają, że włókno węglowe jest szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, transporcie kolejowym, produkcji pojazdów, broni i sprzętu, maszyn budowlanych, budownictwie infrastrukturalnym, inżynierii morskiej, inżynierii naftowej, energetyce wiatrowej, artykułach sportowych i innych dziedzinach.
W oparciu o krajowe strategiczne potrzeby materiałów z włókna węglowego, Chiny wymieniły je jako jedną z podstawowych technologii wschodzących branż, na których wsparcie się koncentruje. W krajowym planowaniu naukowo-technologicznym „Twelve-Five”, technologia przygotowania i zastosowania wysokowydajnego włókna węglowego jest jedną z podstawowych technologii strategicznych wschodzących branż wspieranych przez państwo. W maju 2015 r. Rada Państwa oficjalnie opublikowała „Made in China 2025”, nowe materiały jako jeden z kluczowych obszarów intensywnej promocji i rozwoju, w tym wysokowydajne materiały konstrukcyjne, zaawansowane kompozyty stanowią przedmiot rozwoju w dziedzinie nowych materiałów. W październiku 2015 r. Ministerstwo Przemysłu i Przemysłu Informacyjnego oficjalnie opublikowało „China Manufacturing 2025 key Areas Technology Roadmap”, „wysokowydajne włókno i jego kompozyty” jako kluczowy materiał strategiczny, celem na rok 2020 jest „krajowe kompozyty z włókna węglowego spełniające wymagania techniczne dużych samolotów i innego ważnego sprzętu”. W listopadzie 2016 r. Rada Państwa wydała „Trzynaście Pięciu” krajowych strategicznych planów rozwoju wschodzących branż, wyraźnie wskazując na wzmocnienie współpracy w górę i w dół łańcucha dostaw nowego przemysłu materiałowego, w kompozytach z włókna węglowego i innych dziedzinach, aby przeprowadzić pilotażową demonstrację aplikacji współpracy, zbudować platformę aplikacji współpracy. W styczniu 2017 r. Ministerstwo Przemysłu i Rozwoju, NDRC, nauka i technologia oraz Ministerstwo Finansów wspólnie sformułowały „Przewodnik po rozwoju nowych branż materiałowych” i zaproponowały, aby od 2020 r. „w kompozytach z włókna węglowego, wysokiej jakości specjalnej stali, zaawansowanych lekkich stopach i innych dziedzinach osiągnąć ponad 70 kluczowych nowych materiałów industrializacji i zastosowań, zbudować system wsparcia sprzętu procesowego, który odpowiada poziomowi rozwoju chińskiego przemysłu nowych materiałów”.
Ponieważ włókno węglowe i jego kompozyty odgrywają ważną rolę w obronie narodowej i życiu ludzi, wielu ekspertów skupia się na ich rozwoju i analizie trendów badawczych. Dr Zhou Hong dokonał przeglądu naukowego i technologicznego wkładu amerykańskich naukowców na wczesnych etapach rozwoju technologii wysokowydajnego włókna węglowego oraz zeskanował i przedstawił raport na temat 16 głównych zastosowań i ostatnich postępów technologicznych włókna węglowego, a technologia produkcji, właściwości i zastosowanie włókna węglowego poliakrylonitrylowego oraz jego obecny rozwój technologiczny zostały omówione przez dr Wei Xina itp. Przedstawiono również kilka konstruktywnych sugestii dotyczących problemów występujących w rozwoju włókna węglowego w Chinach. Ponadto wiele osób przeprowadziło badania nad analizą metrologiczną dokumentów i patentów w dziedzinie włókna węglowego i jego kompozytów. Na przykład Ma Xianglin i inni z punktu widzenia metrologii z lat 1998-2017 dystrybucja patentów na włókno węglowe i zastosowanie w dziedzinie analizy; Yang Sisi i inni, opierając się na platformie innograficznej do wyszukiwania globalnych patentów na tkaniny z włókna węglowego i statystyk danych, analizują roczne trendy rozwojowe patentów, właścicieli patentów, najważniejsze technologie patentowe i główne patenty danej technologii.
Z perspektywy trajektorii badań i rozwoju włókna węglowego, badania w Chinach są niemal zsynchronizowane ze światem, ale rozwój jest powolny, skala produkcji włókna węglowego o wysokiej wydajności i jakość w porównaniu z krajami zagranicznymi mają lukę, istnieje pilna potrzeba przyspieszenia procesu badawczo-rozwojowego, rozwoju strategicznego układu, wykorzystania przyszłych możliwości rozwoju przemysłu. Dlatego w niniejszym dokumencie najpierw zbadano układ projektów krajów w dziedzinie badań nad włóknem węglowym, aby zrozumieć planowanie tras badawczo-rozwojowych w różnych krajach, a po drugie, ponieważ podstawowe badania i badania aplikacyjne włókna węglowego są bardzo ważne dla technicznych badań i rozwoju włókna węglowego, dlatego przeprowadzamy analizę metrologiczną na podstawie wyników badań naukowych - prac SCI i wyników badań stosowanych - patentów w tym samym czasie, aby uzyskać kompleksowe zrozumienie postępu badawczo-rozwojowego w dziedzinie włókna węglowego i przeskanować ostatnie osiągnięcia badawcze w tej dziedzinie, aby zapoznać się z postępem badań i rozwoju w ramach Peep International Frontier. Na koniec, w oparciu o powyższe wyniki badań, przedstawiono kilka sugestii dotyczących trasy badawczo-rozwojowej w dziedzinie włókna węglowego w Chinach.
2.C.włókno arbonoweukład projektu badawczegogłówne kraje/regiony
Główne kraje produkujące włókno węglowe to Japonia, Stany Zjednoczone, Korea Południowa, niektóre kraje europejskie oraz Tajwan i Chiny. Kraje zaawansowanej technologii na wczesnym etapie rozwoju technologii włókna węglowego zdały sobie sprawę z wagi tego materiału, przeprowadziły strategiczne rozmieszczenie, energicznie promują rozwój materiałów z włókna węglowego.
2.1 Japonia
Japonia jest najbardziej rozwiniętym krajem w zakresie technologii włókien węglowych. Trzy firmy w Toray, Bong i Mitsubishi Liyang w Japonii odpowiadają za około 70%~80% udziału w światowym rynku produkcji włókien węglowych. Niemniej jednak Japonia przywiązuje dużą wagę do utrzymania swoich mocnych stron w tej dziedzinie, w szczególności rozwoju wysokowydajnych włókien węglowych na bazie pan oraz technologii przyjaznych dla energii i środowiska, przy silnym wsparciu ludzkim i finansowym, a także w szeregu podstawowych polityk, w tym podstawowym planie energetycznym, strategicznym zarysie wzrostu gospodarczego i Protokole z Kioto, uczyniły z tego strategiczny projekt, który należy rozwijać. Na podstawie podstawowej krajowej polityki energetycznej i środowiskowej, Ministerstwo Gospodarki, przemysłu i majątku Japonii przedstawiło „Program badań i rozwoju technologii oszczędzania energii”. Wspierany przez powyższą politykę, japoński przemysł włókien węglowych był w stanie skuteczniej scentralizować wszystkie aspekty zasobów i promować rozwiązywanie typowych problemów w przemyśle włókien węglowych.
„Rozwój technologii, takich jak innowacyjne nowe materiały konstrukcyjne” (2013-2022) to projekt realizowany w ramach „Projektu badawczego Future Development” w Japonii, mający na celu znaczące osiągnięcie rozwoju niezbędnej innowacyjnej technologii materiałów konstrukcyjnych i połączenia różnych materiałów, z głównym celem zmniejszenia lekkości (połowa masy samochodu) środków transportu. I wreszcie zrealizowanie jego praktycznego zastosowania. Po przejęciu projektu badawczo-rozwojowego w 2014 r. Agencja Rozwoju Technologii Przemysłowych (NEDO) opracowała kilka podprojektów, w których ogólnymi celami projektu badawczego włókna węglowego „Podstawowe badania i rozwój innowacyjnych włókien węglowych” były: opracowanie nowych związków prekursorowych włókien węglowych; wyjaśnienie mechanizmu powstawania struktur karbonizacji; oraz opracowanie i standaryzacja metod oceny włókien węglowych. Projekt, prowadzony pod przewodnictwem Uniwersytetu Tokijskiego, a w który wspólnie zaangażowane są Instytut Technologii Przemysłowej (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan i Mitsubishi Liyang, poczynił znaczne postępy w styczniu 2016 r. i stanowi kolejny przełom w dziedzinie włókien węglowych po wynalezieniu „trybu Kondo” w Japonii w 1959 r.
2.2 Stany Zjednoczone
Amerykańska Agencja Badań Predykcyjnych Obrony (DARPA) uruchomiła projekt Advanced Structural Fiber w 2006 r. w celu połączenia dominującej siły naukowej kraju w celu opracowania włókien strukturalnych nowej generacji na bazie włókien węglowych. Wspierany przez ten projekt zespół badawczy Georgia Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych przełamał technologię przygotowywania surowego drutu w 2015 r., zwiększając jej moduł sprężystości o 30%, co oznacza, że Stany Zjednoczone mają potencjał rozwojowy trzeciej generacji włókien węglowych.
W 2014 r. Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) ogłosił dotację w wysokości 11,3 mln dolarów na dwa projekty dotyczące „wieloetapowych procesów katalitycznych do przetwarzania niejadalnych cukrów z biomasy w akrylonitryl” oraz „badań i optymalizacji akrylonitrylu pochodzącego z produkcji biomasy” w celu promowania wykorzystania pozostałości rolniczych, badań nad konkurencyjnymi cenowo odnawialnymi, wysokowydajnymi materiałami z włókien węglowych do produkcji odnawialnych surowców niepochodzących z żywności, takich jak biomasa drzewna, a także planów zmniejszenia kosztów produkcji odnawialnych włókien węglowych z biomasy do poziomu poniżej 5 USD/funt do 2020 r.
W marcu 2017 r. Departament Energii USA ponownie ogłosił przeznaczenie 3,74 mln dolarów na dofinansowanie „projektu badawczo-rozwojowego w zakresie tanich komponentów z włókna węglowego” kierowanego przez Western American Institute (WRI), który koncentruje się na opracowywaniu tanich komponentów z włókna węglowego bazujących na zasobach takich jak węgiel i biomasa.
W lipcu 2017 r. Departament Energii USA ogłosił przyznanie 19,4 mln dolarów na wsparcie badań i rozwoju zaawansowanych, energooszczędnych pojazdów. 6,7 mln dolarów z tej kwoty zostanie wykorzystane na przygotowanie tanich włókien węglowych przy użyciu materiałów obliczeniowych, w tym na opracowanie wieloskalowych metod oceny zintegrowanej technologii komputerowej w celu oceny entuzjazmu wobec nowych prekursorów włókien węglowych. Zaawansowana teoria funkcjonału gęstości wspomagana dynamiką molekularną, uczenie maszynowe i inne narzędzia są wykorzystywane do opracowywania najnowocześniejszych narzędzi komputerowych w celu zwiększenia efektywności selekcji tanich surowców z włókien węglowych.
2.3 Europa
Europejski przemysł włókien węglowych rozwinął się w Japonii i Stanach Zjednoczonych w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku, ale ze względu na technologię i kapitał wiele firm produkujących pojedyncze włókna węglowe nie dostosowało się do okresu wysokiego wzrostu popytu na włókno węglowe po 2000 roku i zniknęło. Niemiecka firma SGL jest jedyną firmą w Europie, która ma znaczący udział w światowym rynku włókien węglowych.
W listopadzie 2011 r. Unia Europejska uruchomiła projekt Eucarbon, którego celem jest unowocześnienie europejskich zdolności produkcyjnych w zakresie włókien węglowych i materiałów wstępnie impregnowanych dla lotnictwa i kosmonautyki. Projekt trwał 4 lata, a całkowita inwestycja wyniosła 3,2 mln euro, a w maju 2017 r. pomyślnie uruchomiono pierwszą w Europie specjalną linię produkcyjną włókien węglowych do zastosowań kosmicznych, takich jak satelity, umożliwiając Europie odejście od uzależnienia od importu produktu i zapewnienie bezpieczeństwa dostaw materiałów.
Siódme ramy UE planują wsparcie projektu „funkcjonalne włókno węglowe w przygotowaniu nowego systemu prekursorowego o opłacalnej i łatwej do opanowania wydajności” (FIBRALSPEC) (2014-2017) w kwocie 6,08 mln euro. Czteroletni projekt, kierowany przez Narodowy Uniwersytet Techniczny w Atenach, Grecja, z udziałem międzynarodowych firm, takich jak Włochy, Wielka Brytania i Ukraina, koncentruje się na innowacjach i ulepszaniu procesu ciągłego przygotowywania włókien węglowych na bazie poliakrylonitrylu w celu osiągnięcia eksperymentalnej produkcji ciągłych włókien węglowych na bazie pan. Projekt pomyślnie zakończył rozwój i zastosowanie włókna węglowego oraz ulepszonej technologii kompozytowej z odnawialnych organicznych zasobów polimerowych (takich jak superkondensatory, szybkie schrony ratunkowe, a także prototypowe mechaniczne elektryczne maszyny do powlekania obrotowego i rozwój linii produkcyjnej nanowłókien itp.).
Coraz większa liczba sektorów przemysłowych, takich jak motoryzacja, energetyka wiatrowa i budownictwo okrętowe, wymaga lekkich, wysokowydajnych kompozytów, co stanowi ogromny potencjalny rynek dla przemysłu włókien węglowych. UE inwestuje 5,968 mln euro w uruchomienie projektu Carboprec (2014-2017), którego strategicznym celem jest opracowanie niedrogich prekursorów z materiałów odnawialnych, które są szeroko obecne w Europie, oraz zwiększenie produkcji wysokowydajnych włókien węglowych za pomocą nanorurek węglowych.
Program badawczy Unii Europejskiej Cleansky II sfinansował projekt „Composite tire R & amp; d” (2017), kierowany przez Fraunhofer Institute for Production and Systems Reliability (LBF) w Niemczech, który planuje opracowanie przednich komponentów kół do samolotów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym dla Airbusa A320. Celem jest zmniejszenie masy o 40% w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami metalowymi. Projekt jest finansowany kwotą około 200 000 EUR.
2.4 Korea
Badania i rozwój oraz industrializacja włókna węglowego w Korei Południowej rozpoczęły się późno, badania i rozwój rozpoczęły się w 2006 r., a w 2013 r. formalnie weszły w fazę praktyczną, odwracając koreańskie włókno węglowe od sytuacji importu. Dla lokalnej grupy xiaoxing z Korei Południowej i Taiguang Business jako przedstawiciela pioniera branży aktywnie zaangażowanego w dziedzinę układu przemysłu włókna węglowego, dynamika rozwoju jest silna. Ponadto baza produkcyjna włókna węglowego utworzona przez Toray Japan w Korei również przyczyniła się do rozwoju rynku włókna węglowego w samej Korei.
Rząd Korei postanowił uczynić z Grupy Xiaoxing miejsce spotkań innowacyjnych branż włókna węglowego. Celem jest utworzenie klastra przemysłu materiałów z włókna węglowego, promowanie rozwoju kreatywnego ekosystemu ekonomicznego w całym regionie północnym, ostatecznym celem jest utworzenie łańcucha produkcyjnego materiałów z włókna węglowego → części → gotowych produktów, utworzenie klastra inkubacji włókien węglowych można porównać z Doliną Krzemową w Stanach Zjednoczonych, pozyskanie nowych rynków, stworzenie nowej wartości dodanej, osiągnięcie celu 10 miliardów dolarów w eksporcie produktów związanych z włóknem węglowym (co odpowiada około 55,2 miliardom juanów) do 2020 roku.
3. Analiza globalnych badań i wyników badań nad włóknem węglowym
W tej podsekcji znajdują się artykuły SCI dotyczące badań nad włóknem węglowym oraz wyniki patentów DII od 2010 r., co pozwala na jednoczesną analizę badań naukowych i badań przemysłowych oraz rozwoju globalnej technologii włókien węglowych, a także na pełne zrozumienie postępu badań i rozwoju włókien węglowych na arenie międzynarodowej.
Dane pochodzą z bazy danych Scie i Dewent w bazie danych Web of Science opublikowanej przez Clarivate Analytics; zakres czasu pobierania: 2010–2017; data pobrania: 1 lutego 2018 r.
Strategia odzyskiwania papieru SCI: Ts = ((włókno węglowe* lub Carbonfiber* lub ("Włókno węglowe*", a nie "włókno szklane") lub "włókno węglowe*" lub "włókno węglowe*" lub ((poliakrylonitryl lub smoła) i "prekursor*" i włókno*) lub ("włókno grafitowe*")), a nie ("węgiel bambusowy")).
Strategia wyszukiwania patentów Dewent: Ti=((włókno węglowe* lub włókno węglowe* lub („Włókno węglowe*”, a nie „włókno szklane”) lub „włókno węglowe*” lub „włókno węglowe*” lub ((poliakrylonitryl lub smoła) i „prekursor*” i włókno*) lub („włókno grafitowe*”)) nie („węgiel bambusowy”)) lubTS=((włókno węglowe* lub włókno węglowe* lub („Włókno węglowe*”, a nie „włókno szklane”) lub „włókno węglowe*” lub „włókno węglowe*” lub ((poliakrylonitryl lub smoła) i „prekursor*” i włókno*) lub („włókno grafitowe*”)) nie („węgiel bambusowy”)) iIP=(D01F-009/12 lub D01F-009/127 lub D01F-009/133 lub D01F-009/14 lub D01F-009/145 lub D01F-009/15 lub D01F-009/155 lub D01F-009/16 lub D01F-009/17 lub D01F-009/18 lub D01F-009/20 lub D01F-009/21 lub D01F-009/22 lub D01F-009/24 lub D01F-009/26 lub D01F-09/28 lub D01F-009/30 lub D01F-009/32 lub C08K-007/02 lub C08J-005/04 lub C04B-035/83 lub D06M-014/36 lub D06M-101/40 lub D21H-013/50 lub H01H-001/027 lub H01R-039/24).
3.1 tendencja
Od 2010 r. na całym świecie opublikowano 16 553 artykułów na ten temat, a liczba zgłoszonych patentów na wynalazki wyniosła 26 390. Wszystkie te dane wykazują stałą, rosnącą tendencję z roku na rok (rysunek 1).
3.2 Dystrybucja według kraju lub regionu
10 najlepszych instytucji z największą liczbą publikacji na temat badań nad włóknami węglowymi na świecie pochodzi z Chin, z czego 5 najlepszych to: Chińska Akademia Nauk, Instytut Technologii w Harbinie, Northwestern University of Technology, Donghua University, Beijing Institute of Aeronautics and Astronautics. Spośród instytucji zagranicznych, Indian Institute of Technology, University of Tokyo, University of Bristol, Monash University, University of Manchester i Georgia Institute of Technology plasują się pomiędzy 10 a 20 (rys. 3).
Liczba zgłoszeń patentowych w 30 najlepszych instytucjach, Japonia ma 5, a 3 z nich znajdują się w pierwszej piątce, firma Toray zajęła pierwsze miejsce, a następnie Mitsubishi Liyang (2. miejsce), Teijin (4. miejsce), East State (10. miejsce), Japan Toyo Textile Company (24. miejsce), Chiny mają 21 instytucji, Sinopec Group ma największą liczbę patentów, zajmując trzecie miejsce, na drugim miejscu Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter cable company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry itp., Chińska Akademia Nauk Shanxi Coal zgłoszenie wynalazku Patent 66, zajmuje 27. miejsce, instytucje południowokoreańskie mają 2, z których Xiaoxing Co., Ltd. zajęło pierwsze miejsce, zajmując 8. miejsce.
Instytucje wyjściowe, wyniki prac pochodzą głównie z uniwersytetów i instytucji badań naukowych, patenty pochodzą głównie z firm; można zauważyć, że produkcja włókna węglowego jest branżą wysoko zaawansowaną technologicznie; jako główny podmiot zajmujący się badaniami i rozwojem przemysłu włókien węglowych, firma przywiązuje dużą wagę do ochrony technologii badań i rozwoju włókien węglowych, zwłaszcza 2 największe firmy w Japonii; liczba patentów jest znacznie większa.
3.4 Ogniska badawcze
Prace badawcze dotyczące włókien węglowych obejmują większość tematów badawczych: kompozyty z włókien węglowych (w tym kompozyty wzmacniane włóknem węglowym, kompozyty z matrycą polimerową itp.), badania właściwości mechanicznych, analiza elementów skończonych, nanorurki węglowe, delaminacja, wzmocnienie, zmęczenie, mikrostruktura, przędzenie elektrostatyczne, obróbka powierzchni, adsorpcja itd. Prace dotyczące tych słów kluczowych stanowią 38,8% całkowitej liczby prac.
Patenty na wynalazki z włókna węglowego obejmują większość tematów związanych z przygotowaniem włókna węglowego, sprzętem produkcyjnym i materiałami kompozytowymi. Wśród nich Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin i inne firmy w dziedzinie „związków polimerowych wzmocnionych włóknem węglowym” w obszarze ważnego układu technicznego, ponadto Toray i Mitsubishi Liyang w dziedzinie „produkcji poliakrylonitrylu z włókna węglowego i sprzętu produkcyjnego”, „z nienasyconym nitrylem, takim jak poliakrylonitryl, poliwinylidenocyjanek produkcja etylenu z włókna węglowego” i inne technologie mają dużą część układu patentowego, a japońska firma Teijin w dziedzinie „kompozytów z włókna węglowego i związków tlenowych” ma większą część układu patentowego.
Grupa China Sinopec, Uniwersytet Chemiczny w Pekinie, Chińska Akademia Nauk Ningbo Materials w dziedzinie „produkcji poliakrylonitrylu z włókna węglowego i sprzętu produkcyjnego” ma dużą część układu patentowego; Ponadto Uniwersytet Inżynierii Chemicznej w Pekinie, Chiński Instytut Nauk Shanxi Coal Chemical Institute i Chiński Instytut Nauk Ningbo Materials kluczowy układ technologii „Wykorzystanie włókien z pierwiastków nieorganicznych jako składników przygotowania związków polimerowych” Harbin Institute of Technology koncentruje się na układzie „obróbki włókna węglowego”, „kompozytów z włókien węglowych i zawierających tlen związków” i innych technologiach.
Ponadto, z rocznych statystyk rozkładu statystycznego globalnych patentów wynika, że w ciągu ostatnich trzech lat zaczęło pojawiać się szereg nowych gorących punktów, takich jak: „Kompozycje poliamidów uzyskane w wyniku reakcji tworzenia wiązań karboksylowych w łańcuchu głównym”, „kompozycje poliestrowe z tworzenia wiązań estrów kwasu 1-karboksylowego w łańcuchu głównym”, „materiał kompozytowy na bazie materiałów syntetycznych”, „cykliczne związki zawierające kwas karboksylowy jako składniki kompozytów z włókien węglowych”, „w trójwymiarowej formie zestalania lub obróbki materiałów tekstylnych”, „nienasycony eter, acetal, semiacetal, keton lub aldehyd wyłącznie poprzez reakcję nienasyconego wiązania węgiel-węgiel do produkcji związków polimerowych”, „adiabatyczna rura lub kabel z materiału”, „Kompozyty z włókna węglowego z estrami fosforanowymi jako składnikami” i tak dalej.
W ostatnich latach pojawiły się prace badawczo-rozwojowe w sektorze włókien węglowych, przy czym większość przełomów pochodzi ze Stanów Zjednoczonych i Japonii. Najnowsze technologie na najwyższym poziomie koncentrują się nie tylko na technologii produkcji i przygotowania włókien węglowych, ale także na zastosowaniach w szerszym zakresie materiałów motoryzacyjnych, takich jak materiały lekkie, druk 3D i materiały do wytwarzania energii. Ponadto recykling i recykling materiałów z włókien węglowych, przygotowanie ligniny drzewnej, włókna węglowego i inne osiągnięcia mają jasne wyniki. Poniżej opisano reprezentatywne wyniki:
1) US Georgia Institute of Technology przełamuje trzecią generację technologii włókien węglowych
W lipcu 2015 roku, dzięki funduszom DARPA, Georgia Institute of Technology, dzięki swojej innowacyjnej technice przędzenia żelu węglowego, znacznie zwiększył moduł sprężystości, przewyższając włókno węglowe Hershey IM7, które jest obecnie szeroko stosowane w samolotach wojskowych. Dzięki temu stał się drugim krajem na świecie, po Japonii, który opanował technologię włókien węglowych trzeciej generacji.
Wytrzymałość na rozciąganie włókna węglowego z przędzenia żelowego firmy Kumarz sięga 5,5 do 5,8 Gpa, a moduł sprężystości przy rozciąganiu mieści się w przedziale 354–375 gpa. „To ciągłe włókno, o którym donoszono, że ma najwyższą wytrzymałość i moduł wszechstronnej wydajności. W wiązce krótkich włókien wytrzymałość na rozciąganie do 12,1 Gpa, to samo, co najwyższa wartość włókna węglowego poliakrylonitrylowego”.
2) Technologia ogrzewania falami elektromagnetycznymi
W 2014 roku Nedo opracował technologię ogrzewania falami elektromagnetycznymi. Technologia karbonizacji falami elektromagnetycznymi odnosi się do wykorzystania technologii ogrzewania falami elektromagnetycznymi do karbonizacji włókna pod ciśnieniem atmosferycznym. Uzyskana wydajność włókna węglowego jest zasadniczo taka sama jak włókna węglowego produkowanego przez ogrzewanie w wysokiej temperaturze, moduł sprężystości może osiągnąć ponad 240GPA, a wydłużenie przy zerwaniu wynosi ponad 1,5%, co jest pierwszym sukcesem na świecie.
Materiał włóknisty jest karbonizowany falą elektromagnetyczną, dzięki czemu nie jest potrzebny piec do karbonizacji używany do ogrzewania w wysokiej temperaturze. Proces ten nie tylko skraca czas potrzebny do karbonizacji, ale także zmniejsza zużycie energii i emisję CO2.
3) precyzyjna kontrola procesu karbonizacji
W marcu 2014 r. Toray ogłosiło pomyślne opracowanie włókna węglowego t1100g. Toray wykorzystuje tradycyjną technologię przędzenia w roztworze panwiowym, aby precyzyjnie kontrolować proces karbonizacji, poprawić mikrostrukturę włókna węglowego w skali nano, kontrolować orientację mikrokrystaliczną grafitu, wielkość mikrokrystaliczną, defekty itd. we włóknie po karbonizacji, dzięki czemu wytrzymałość i moduł sprężystości można znacznie poprawić. Wytrzymałość na rozciąganie t1100g wynosi 6,6 GPa, co jest o 12% więcej niż w przypadku T800, a moduł sprężystości wynosi 324 GPa i wzrósł o 10%, co oznacza, że wchodzi on w fazę industrializacji.
4) Technologia obróbki powierzchni
Teijin East State z powodzeniem opracował technologię obróbki powierzchni plazmą, która może kontrolować wygląd włókna węglowego w ciągu zaledwie kilku sekund. Ta nowa technologia znacznie upraszcza cały proces produkcji i zmniejsza zużycie energii o 50% w porównaniu z istniejącą technologią obróbki powierzchni dla wodnych roztworów elektrolitu. Ponadto po obróbce plazmą stwierdzono, że przyczepność włókna i matrycy żywicy również uległa poprawie.
5) badanie wskaźnika utrzymania wytrzymałości na rozciąganie włókien węglowych w środowisku grafitu o wysokiej temperaturze
Firma Ningbo Materials przeprowadziła szczegółowe badania nad analizą procesów, badaniami strukturalnymi i optymalizacją wydajności krajowych włókien węglowych o wysokiej wytrzymałości i włókien wysokomodowych, w szczególności prace badawcze nad współczynnikiem utrzymania wytrzymałości włókna węglowego na rozciąganie w środowisku grafitu o wysokiej temperaturze oraz niedawne pomyślne przygotowanie włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości i wyższym module wytrzymałości o wytrzymałości na rozciąganie 5,24 GPa i module sprężystości objętościowej 593 GPa. W dalszym ciągu ma ono przewagę w zakresie wytrzymałości na rozciąganie w porównaniu z japońskim włóknem węglowym o wysokiej wytrzymałości Toray m60j, formowanym w procesie wysokoformatowym (wytrzymałość na rozciąganie 3,92 GPa, moduł sprężystości objętościowej 588 GPa).
6) Grafit mikrofalowy
Yongda Advanced Materials z powodzeniem opracowała wyłączną dla Stanów Zjednoczonych technologię grafitu ultrawysokiej temperatury, produkcję włókien węglowych średniego i wyższego rzędu, pomyślnie przełamała trzy wąskie gardła w rozwoju włókien węglowych wyższego rzędu, sprzęt grafitowy jest drogi i znajduje się pod międzynarodową kontrolą, trudności w technologii chemicznej surowego jedwabiu, wydajność produkcji niska i wysoka. Do tej pory Yongda opracowała 3 rodzaje włókien węglowych, z których wszystkie podniosły wytrzymałość i moduł oryginalnego stosunkowo niskiej jakości włókna węglowego do nowego poziomu.
7) Nowy proces topienia drutu surowego z włókien węglowych na bazie patelni opracowany przez Fraunhofer, Niemcy
Fraunhofer Institute of Applied Polymers (Applied polymer Research, IAP) niedawno ogłosił, że zaprezentuje najnowszą technologię Comcarbon na Berlin Air Show Ila w dniach 25–29 kwietnia 2018 r. Technologia ta znacznie obniża koszty produkcji włókna węglowego produkowanego masowo.
Rys. 4 Wytapianie surowego drutu metodą przędzenia.
Powszechnie wiadomo, że w tradycyjnych procesach połowa kosztów produkcji włókna węglowego na bazie pan jest zużywana w procesie produkcji surowego drutu. Biorąc pod uwagę niezdolność surowego drutu do stopienia, musi on być produkowany przy użyciu kosztownego procesu przędzenia z roztworu (Solution Spinning). „W tym celu opracowaliśmy nowy proces produkcji surowego jedwabiu na bazie pan, który może obniżyć koszty produkcji surowego drutu o 60%. Jest to ekonomiczny i wykonalny proces przędzenia z topienia, wykorzystujący specjalnie opracowany stopiony kopolimer na bazie pan. „Wyjaśnił dr Johannes Ganster, minister ds. polimerów biologicznych w Instytucie Fraunhofer IAP.
8) Technologia utleniania plazmowego
4M Carbon Fiber ogłosiło, że zamierza wykorzystać technologię utleniania plazmowego do produkcji i sprzedaży wysokiej jakości, taniego włókna węglowego jako strategiczny cel, a nie tylko licencjonować tę technologię. 4M twierdzi, że technologia utleniania plazmowego jest 3 razy szybsza niż konwencjonalna technologia utleniania, a zużycie energii jest mniejsze niż jedna trzecia tradycyjnej technologii. A oświadczenia te zostały potwierdzone przez wielu międzynarodowych producentów włókna węglowego, którzy konsultują się z wieloma największymi na świecie producentami włókna węglowego i producentami samochodów, aby uczestniczyć jako inicjatorzy produkcji tanich włókien węglowych.
9) Włókno celulozowe nano
Uniwersytet w Kioto w Japonii, wraz z kilkoma głównymi dostawcami komponentów, takimi jak firma instalująca urządzenia elektryczne (największy dostawca Toyoty) i Daikyonishikawa Corp., pracuje nad rozwojem materiałów z tworzyw sztucznych, które łączą nanowłókna celulozowe. Materiał ten powstaje przez rozbicie pulpy drzewnej na kilka mikronów (1 na tysiąc mm). Waga nowego materiału stanowi zaledwie jedną piątą wagi stali, ale jego wytrzymałość jest pięć razy większa od wytrzymałości stali.
10) przednia część nadwozia z włókna węglowego z surowców poliolefinowych i ligniny
Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych zajmuje się badaniami nad tanimi włóknami węglowymi od 2007 roku. Opracowano tam przednie korpusy z włókna węglowego do produkcji poliolefin i ligniny, a także zaawansowane technologie wstępnego utleniania plazmowego i karbonizacji mikrofalowej.
11) Nowy polimer (prekursor polimeru) został opracowany poprzez usunięcie obróbki ogniotrwałej
W metodzie produkcji prowadzonej przez Uniwersytet Tokijski opracowano nowy polimer (prekursor polimeru) w celu usunięcia obróbki ogniotrwałej. Najważniejsze jest to, że po przędzeniu polimeru na jedwab nie przeprowadza on pierwotnej obróbki ogniotrwałej, ale powoduje jego utlenienie w rozpuszczalniku. Urządzenie grzewcze mikrofalowe jest następnie podgrzewane do temperatury ponad 1000 ℃ w celu karbonizacji. Czas nagrzewania wynosi tylko 2-3 minuty. Po obróbce karbonizacyjnej plazma jest również wykorzystywana do przeprowadzania obróbki powierzchniowej, dzięki czemu można uzyskać włókno węglowe. Obróbka plazmowa trwa mniej niż 2 minuty. W ten sposób pierwotny czas spiekania wynoszący 30-60 minut można skrócić do około 5 minut. W nowej metodzie produkcji obróbka plazmowa jest przeprowadzana w celu poprawy wiązania między włóknem węglowym a żywicą termoplastyczną jako materiałem bazowym CFRP. Moduł sprężystości rozciągania włókna węglowego wytworzonego nową metodą produkcji wynosi 240 GPa, wytrzymałość na rozciąganie wynosi 3,5 GPa, a wydłużenie osiąga 1,5%. Wartości te odpowiadają poziomowi włókna węglowego klasy Toray Universal T300 stosowanego w sprzęcie sportowym itp.
12) recykling i wykorzystanie materiałów z włókna węglowego przy użyciu procesu fluidalnego
Mengran Meng, pierwszy autor badania, powiedział: „Odzyskiwanie włókien węglowych zmniejsza wpływ na środowisko w porównaniu z produkcją surowego włókna węglowego, ale istnieje ograniczona świadomość potencjalnych technologii recyklingu i ekonomicznej wykonalności recyklingu wykorzystania włókien węglowych”. „Recykling odbywa się w dwóch etapach: włókna muszą zostać najpierw odzyskane z kompozytów włókien węglowych i rozłożone termicznie poprzez mechaniczne mielenie materiałów lub za pomocą pirolizy lub procesów fluidalnych. Metody te usuwają plastikową część materiału kompozytowego, pozostawiając włókno węglowe, które następnie można przekształcić w splątane maty włókniste za pomocą technologii mokrego papieru lub zreorganizować we włókna kierunkowe.
Naukowcy obliczyli, że włókno węglowe można odzyskać z odpadów kompozytowych z włókna węglowego przy użyciu procesu fluidalnego, wymagającego jedynie 5 dolarów/kg i mniej niż 10% energii wymaganej do wytworzenia pierwotnego włókna węglowego. Włókna węglowe pochodzące z recyklingu, produkowane w procesach fluidalnych, prawie nie zmniejszają modułu, a wytrzymałość na rozciąganie jest zmniejszona o 18% do 50% w porównaniu z pierwotnymi włóknami węglowymi, co czyni je odpowiednimi do zastosowań wymagających dużej sztywności, a nie wytrzymałości. „Włókna węglowe pochodzące z recyklingu mogą być odpowiednie do zastosowań niekonstrukcyjnych, które wymagają lekkości, takich jak przemysł motoryzacyjny, budowlany, wiatrowy i sportowy” — powiedział Meng.
13) Nowa technologia recyklingu włókna węglowego opracowana w Stanach Zjednoczonych
W czerwcu 2016 r. naukowcy z Georgia Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych zanurzyli włókno węglowe w rozpuszczalniku zawierającym alkohol, aby rozpuścić żywicę epoksydową; oddzielone włókna i żywice epoksydowe można było ponownie wykorzystać, co stanowiło udaną realizację procesu odzyskiwania włókien węglowych.
W lipcu 2017 r. Uniwersytet Stanowy Waszyngtonu opracował również technologię odzyskiwania włókna węglowego, wykorzystującą słaby kwas jako katalizator, a następnie ciekły etanol w stosunkowo niskich temperaturach do rozkładu materiałów termoutwardzalnych. Rozłożone włókno węglowe i żywica są konserwowane oddzielnie i mogą być ponownie wykorzystane.
14) Rozwój technologii druku 3D z wykorzystaniem tuszu z włókna węglowego w laboratorium LLNL w USA
W marcu 2017 r. Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) w Stanach Zjednoczonych opracowało pierwsze drukowane w 3D wysokowydajne kompozyty z włókna węglowego klasy lotniczej. Wykorzystali metodę drukowania 3D z bezpośrednim przenoszeniem tuszu (DIW) do tworzenia złożonych trójwymiarowych struktur, które znacznie zwiększyły prędkość przetwarzania do zastosowań w motoryzacji, lotnictwie, obronności i zawodach motocyklowych oraz surfingu.
15) Stany Zjednoczone, Korea i Chiny współpracują przy opracowywaniu włókna węglowego do wytwarzania energii
W sierpniu 2017 r. kampus Uniwersytetu Teksańskiego w Dallas, Uniwersytet Hanyang w Korei, Uniwersytet Nankai w Chinach i inne instytucje współpracowały przy opracowywaniu materiału z przędzy z włókna węglowego do wytwarzania energii. Przędza jest najpierw moczona w roztworach elektrolitu, takich jak solanka, co pozwala jonom w elektrolicie na przyłączenie się do powierzchni nanorurek węglowych, które mogą zostać przekształcone w energię elektryczną, gdy przędza jest napinana lub rozciągana. Materiał może być stosowany w dowolnym miejscu z niezawodną energią kinetyczną i nadaje się do zasilania czujników IoT.
16) Nowe postępy w badaniach nad włóknami węglowymi ligniny drzewnej uzyskane odpowiednio przez Chińczyków i Amerykanów
W marcu 2017 r. zespół ds. włókien specjalnych Instytutu Materiałów Technologii i Inżynierii Ningbo przygotował kopolimer ligniny i akrylonitrylu o dobrej przędzalności i stabilności termicznej, wykorzystując dwuetapową technologię modyfikacji estryfikacji i kopolimeryzacji wolnorodnikowej. Wysokiej jakości ciągłe włókna uzyskano, stosując kopolimer i proces przędzenia na mokro, a kompaktowe włókno węglowe otrzymano po stabilizacji termicznej i obróbce karbonizacyjnej.
W sierpniu 2017 r. zespół badawczy Birgitte Ahring z University of Washington w Stanach Zjednoczonych zmieszał ligninę i poliakrylonitryl w różnych proporcjach, a następnie wykorzystał technologię przędzenia na gorąco, aby przekształcić mieszane polimery w włókna węglowe. Badanie wykazało, że lignina dodana do 20%–30% nie wpłynęła na wytrzymałość włókna węglowego i oczekiwano, że zostanie wykorzystana w produkcji tańszych materiałów z włókna węglowego do części samochodowych lub lotniczych.
Pod koniec 2017 r. Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) opublikowało badania dotyczące produkcji akrylonitrylu z wykorzystaniem części odpadów roślinnych, takich jak słoma kukurydziana i słoma pszeniczna. Najpierw rozkładają materiały roślinne na cukier, a następnie przekształcają je w kwasy i łączą je z tanimi katalizatorami, aby wytworzyć produkty docelowe.
17) Japonia opracowuje pierwsze podwozie samochodowe z kompozytu termoplastycznego wzmocnionego włóknem węglowym
W październiku 2017 r. japońska nowa technologia przemysłu energetycznego zintegrowana z agencją badawczo-rozwojową i Narodowym Centrum Badań Kompozytowych Uniwersytetu w Nagoi pomyślnie opracowała pierwsze na świecie podwozie samochodowe z kompozytu termoplastycznego wzmocnionego włóknem węglowym. Wykorzystują automatyczny proces formowania bezpośredniego on-line kompozytów termoplastycznych wzmocnionych długimi włóknami, ciągłe mieszanie cząstek włókna węglowego i żywicy termoplastycznej, produkcję kompozytów wzmocnionych włóknem, a następnie poprzez podgrzewanie i topienie połączenie, udaną produkcję podwozia samochodowego z termoplastycznego CFRP.
5. Sugestie dotyczące badań i rozwoju technologii włókna węglowego w Chinach
5.1 Przyszłościowy układ, zorientowany na cel, skupiony na przełamaniu trzeciej generacji technologii włókna węglowego
Chińska technologia włókien węglowych drugiej generacji nie jest jeszcze przełomem, nasz kraj powinien starać się o przyszłościowe rozwiązanie, które połączy nasze odpowiednie instytucje badawcze, skupi się na przechwytywaniu kluczowych technologii, skupieniu się na badaniach i rozwoju technologii przygotowania włókna węglowego trzeciej generacji o wysokiej wydajności (tj. mającej zastosowanie w lotnictwie, technologii włókien węglowych o wysokim module wytrzymałości) oraz opracowaniu technologii materiałów kompozytowych z włókna węglowego, w tym dla przemysłu motoryzacyjnego, budowlanego i naprawczego oraz innych lekkich, tanich dużych holowanych materiałów z włókna węglowego, technologii wytwarzania przyrostowego materiałów kompozytowych z włókna węglowego, technologii recyklingu i technologii szybkiego prototypowania.
5.2 Koordynacja organizacji, wzmocnienie wsparcia, utworzenie dużych projektów technicznych w celu ciągłego wspierania badań prowadzonych we współpracy
Obecnie istnieje wiele instytucji, które prowadzą badania nad włóknem węglowym w Chinach, ale władza jest rozproszona i nie ma jednolitego mechanizmu organizacji R&D ani silnego wsparcia finansowego dla skutecznej koordynacji. Sądząc po doświadczeniu rozwojowym krajów zaawansowanych, organizacja i układ głównych projektów odgrywają dużą rolę w promowaniu rozwoju tej dziedziny technicznej. Powinniśmy skupić się na chińskiej przewadze R&D Force, mając na uwadze przełomową technologię R&D w dziedzinie włókna węglowego w Chinach, aby rozpocząć duże projekty, wzmocnić współpracę w zakresie innowacji technologicznych i stale promować poziom technologii badań nad włóknem węglowym w Chinach, konkurencję o międzynarodowe włókna węglowe i kompozyty.
5.3 Doskonalenie mechanizmu oceny zorientowania efektów aplikacyjnych osiągnięć technicznych
Z punktu widzenia analizy ekonometrycznej dokumentów SCI, chińskie włókno węglowe jako materiał o wysokiej wytrzymałości i wydajności stosowany w różnych dziedzinach badań, ale w przypadku technologii produkcji i przygotowania włókna węglowego, szczególnie skupiając się na redukcji kosztów, poprawia wydajność produkcji mniejszej liczby badań. Proces produkcji włókna węglowego jest długi, kluczowe punkty technologii, wysokie bariery produkcyjne, jest multidyscyplinarną, wielotechnologiczną integracją, koniecznością przełamania przeszkód technicznych, aby skutecznie promować badania i rozwój technologii przygotowania rdzenia „niskokosztowego, wysokowydajnego”, z jednej strony, koniecznością wzmocnienia inwestycji w badania, z drugiej strony koniecznością osłabienia dziedziny oceny wydajności badań naukowych, wzmocnienia wytycznych oceny efektów zastosowania osiągnięć technicznych i przejścia od oceny „ilościowej”, która zwraca uwagę na publikację dokumentu, do oceny „jakościowej” wartości wyników.
5.4 Wzmocnienie rozwoju talentów w zakresie najnowocześniejszych technologii
Zaawansowany technologicznie charakter technologii włókna węglowego decyduje o znaczeniu wyspecjalizowanych talentów. To, czy dysponują oni najnowocześniejszym personelem technicznym, bezpośrednio decyduje o poziomie prac badawczo-rozwojowych danej instytucji.
W wyniku powiązań badawczo-rozwojowych w zakresie technologii włókien węglowych powinniśmy zwrócić uwagę na szkolenie personelu złożonego, aby zapewnić koordynację i rozwój wszystkich powiązań. Ponadto, z historii rozwoju badań nad włóknami węglowymi w Chinach, przepływ ekspertów ds. podstawowych technologii jest często kluczowym czynnikiem wpływającym na poziom badań i rozwoju instytucji badawczej. Utrzymanie utrwalenia ekspertów ds. podstawowych i zespołów ds. badań i rozwoju w procesach produkcyjnych, kompozytach i głównych produktach jest ważne dla ciągłych ulepszeń technologicznych.
Powinniśmy nadal wzmacniać szkolenie i wykorzystanie wyspecjalizowanego personelu high-tech w tej dziedzinie, udoskonalać politykę oceny i traktowania talentów w dziedzinie badań i rozwoju technologicznego, wzmacniać rozwój młodych talentów, aktywnie wspierać współpracę i wymianę z zagranicznymi instytucjami badawczo-rozwojowymi oraz energicznie wprowadzać zagraniczne talenty zaawansowane itp. Będzie to miało ogromne znaczenie w promowaniu rozwoju badań nad włóknem węglowym w Chinach.
Cytat z-
Analiza rozwoju globalnej technologii włókien węglowych i jej oświecenie w Chinach. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang ming, Ba jin, Chen Yunwei.Światowe badania i rozwój naukowo-techniczny.2018
Czas publikacji: 04-12-2018